Соленоиды. Виды и устройство. Работа и особенности

Цилиндрическая обмотка, которая имеет длину, значительно больше ее диаметра, называется соленоидом. В переводе с английского, это слово обозначает – подобный трубе, то есть, это катушка, похожая на трубу.

Виды соленоидов

По назначению соленоиды разделяют на два класса:

1. Стационарные. То есть, для магнитных полей стационарного вида, которые долго держатся при некоторых значениях.
2. Импульсные. Для создания импульсных магнитных полей. Они могут существовать только в краткий период времени, не больше 1 с.

Стационарные способны создать поля не более 2,5х10⁵ Э. Соленоиды импульсного типа могут создать поля 5х10⁶ Э. Если при создании поля соленоиды не подвергаются деформации и не слишком греются, то магнитное поле прямо зависит от проходящего тока: Н = k*I, где k – постоянная величина соленоида, поддающаяся расчету.

Стационарные делятся:

• Резистивные.
• Сверхпроводящие.

Резистивные соленоиды производят из материалов, обладающих электрическим сопротивлением. В связи с этим вся подходящая к ним энергия переходит в теплоту. Чтобы избежать теплового разрушения устройства, необходимо отвести лишнее тепло. Для этих целей применяют криогенное или водяное охлаждение. Для этого требуется вспомогательная энергия, сравнимая с требуемой энергией для питания соленоида.

Сверхпроводящие соленоиды производят из сплавов, обладающих свойствами сверхпроводимости. Их электрическое сопротивление равно нулю при различных температурах во время эксперимента. При функционировании сверхпроводящего соленоида теплота выделяется только в подходящих проводниках и источнике напряжения. Источник питания в этом случае можно исключить, так как соленоид функционирует в короткозамкнутом режиме. При этом поле может существовать без расхода энергии бесконечно долго при условии сохранения сверхпроводимости.

Устройства для создания мощных магнитных полей включают в себя три главные части:

1. Соленоид.
2. Источник тока.
3. Система охлаждения.

При проектировании соленоида берут во внимание величины внутреннего канала и мощности источника питания.

Создание устройства с резистивным соленоидом для образования стационарных полей является глобальной научно-технической задачей. В мире, в том числе и в нашей стране, существует всего несколько лабораторий с подобными устройствами. Применяются соленоиды различных конструкций, эксплуатация которых осуществляется около тепловой границы.

Для обслуживания таких устройств необходим персонал, состоящий из работников высокой квалификации, работа которых дорого ценится. Большая часть финансов расходуется на оплату электрической энергии. Эксплуатация и обслуживание таких мощных соленоидов со временем окупается, так как ученые и исследователи различных областей науки, из разных стран могут получать важнейшие результаты для развития науки.

Наиболее сложные и важные задачи можно решить путем применения сверхпроводящих соленоидов. Этот способ более эффективный, экономичный и простой. Для примера можно назвать создание мощных стационарных полей сверхпроводящими соленоидами. Наиболее оригинальное свойство сверхпроводимости – это отсутствие электрического сопротивления у некоторых сплавов и металлов при температуре ниже критического значения.

Явление сверхпроводимости позволяет производить соленоид, не имеющий диссипации энергии при прохождении электрического тока. Однако, образованное поле имеет ограничение в том, что при достижении некоторого значения критического поля свойство сверхпроводимости разрушается, и электрическое сопротивление возобновляется.

Критическое поле повышается при снижении температуры от 0 до наибольшего значения. Еще в 50-х годах прошлого века открыты сплавы, у которых критическая температура находится в интервале от 10 до 20 К. При этом они имеют свойства очень мощных критических полей.

Технология создания таких сплавов и производство из них материалов для катушек соленоидов очень трудоемка и сложна. Поэтому такие устройства имеют высокую стоимость. Однако их эксплуатация недорогая и простая в обслуживании. Для этого необходим только источник питания низкого напряжения небольшой мощности и жидкий гелий. Мощность источника понадобится не выше 1 киловатта. Устройство таких соленоидов состоит из катушки, выполненной из меди и сверхпроводника многожильным проводом, лентой или шиной.

Существует возможность снижения энергетических затрат на создание еще более мощных полей. Эта возможность реализуется в нескольких ведущих странах, в том числе и в России. Такой способ основан на применении комбинации из водоохлаждаемого и сверхпроводящего соленоидов. Его еще называют гибридным соленоидом. В этом устройстве интегрируются наибольшие достижимые поля обоих типов соленоидов.

Водоохлаждаемый соленоид должен находиться внутри сверхпроводящего. Создание гибридного соленоида является объемной и сложной научно-технической проблемой. Для ее решения требуется работа нескольких коллективов научных учреждений. Подобное гибридное устройство эксплуатируется в нашей стране в Академии наук. Там соленоид со сверхпроводящими свойствами имеет массу 1,5 тонны. Обмотка выполнена из специальных сплавов ниобия с цинком и титаном. Обмотка водоохлаждаемого соленоида выполнена медной шиной.

Устройство и принцип действия

Соленоидом также можно назвать катушку индуктивности, которая намотана проводом на каркас в виде цилиндра. Такие катушки могут быть намотаны как одним, так и несколькими слоями. Так как длина обмотки намного больше диаметра, то при подключении постоянного напряжения на эту обмотку, внутри катушки образуется магнитное поле.

Часто соленоидами называют электромеханические устройства, содержащие катушку, внутри которой имеется ферромагнитный сердечник. Такие устройства выполнены в виде втягивающих реле автомобильного стартера, различных электроклапанов. Втягивающим элементом такого своеобразного электромагнита является сердечник из ферромагнитного материала.

Если в устройстве соленоида нет сердечника, то при подключении постоянного тока вдоль обмотки образуется магнитное поле. Индукция этого поля равна:

Где, N – количество витков в обмотке, l – длина катушки, I – ток, протекающий по соленоиду, μ0 — вакуумная магнитная проницаемость.

На концах соленоида величина магнитной индукции в два раза ниже, по сравнению с внутренней частью, так как две части соленоида совместно образуют двойное магнитное поле. Это применимо к длинному или бесконечному соленоиду, в сравнении с диаметром каркаса обмотки.

По краям соленоида магнитная индукция равна:

Так как соленоиды являются катушками индуктивности, следовательно, соленоид может запасать энергию в магнитном поле. Эта энергия равна работе, совершаемой источником, для образования тока в обмотке.

Этот ток образует в соленоиде магнитное поле:

Если ток в катушке изменяется, то возникает ЭДС самоиндукции. В этом случае напряжение на соленоиде определяется:

Индуктивность соленоида определяется:

Где, V – объем катушки соленоида, z – длина проводника катушки, n – количество витков, l – длина катушки, μ0 — вакуумная магнитная проницаемость.

При подключении к проводникам соленоида переменного напряжения, магнитное поле будет создаваться тоже переменным. Соленоид имеет сопротивление переменному току в виде комплекса двух составляющих: активной и реактивной. Они зависят от индуктивности и электрического сопротивления проводника катушки.

Похожие темы:

Наиболее оптимальные варианты управления соленоидом

Соленоиды используются во многих устройствах для обеспечения линейного или вращательного приведения в действие  механических систем.Хотя управление соленоидом может быть таким же простым, как включение и выключение нагрузки (например, выключатель), часто более высокая производительность может быть получена с помощью специализированной интегральной микросхемы (ИС) для его управления.

В этой статье мы рассмотрим, как система управления электропривода влияет на электромеханические характеристики соленоидов. Будет сравниваться две различные схемы: простой коммутатор и драйвер регулирования тока. Также будут рассмотрены технологии энергосбережения, которые ограничивают рассеивание мощности в соленоиде.

Принцип работы соленоида

Самая примитивная конструкция соленоида представляет собой катушку, создающую магнитное поле. Устройства, которые мы называем соленоидами, состоят из катушки и движущегося сердечника из железа или другого материала. При подаче тока в катушку сердечник втягивается и приводит в движение механический объект, соединенный с сердечником. Простой соленоид показан ниже:

Для приведения в движение сердечника на катушку подается напряжение. Поскольку индуктивное сопротивление катушки довольно велико для ускорения процессов срабатывания на катушку подают повышенное напряжение. Втягивающая сила сердечника пропорциональна току.

Для удержания механического устройства в активной зоне необходим гораздо меньший ток. Если ток в катушке после доведения механического устройства до конечной точки не уменьшить, то это вызовет значительно больший нагрев соленоида.

Для решения этой проблемы можно использовать  драйвер постоянного тока. Ток можно контролировать по времени для обеспечения минимальных тепловых потерь при максимально необходимом удерживающем моменте.

Испытательная установка

Чтобы сравнить электромеханические характеристики различных схем привода соленоида, была создана простая тестовая установка с использованием сервоусилителя, подключенного к соленоиду с изгибом для измерения движения соленоида. Движение, наряду с напряжением и током, было зафиксировано с помощью осциллографа. Для управления соленоидом использовалась MPS MPQ6610 IC.

Простые драйверы для соленоидов

Самый простой способ управлять соленоидом — включить и выключить ток. Это часто делается с помощью переключателя MOSFET с низкой стороны и токового защитного диода (рисунок ниже). В этой схеме ток ограничен только напряжением питания и постоянным сопротивлением соленоида.

Электромеханические характеристики простого привода соленоида ограничены. Поскольку полное напряжение и ток применяются в течение 100% времени, ток втягивания ограничивается постоянной мощностью рассеяния соленоида. Большая индуктивность катушки ограничивает скорость нарастания тока при включении соленоида.

В тесте измерялось движение, напряжение и ток соленоида включаемого с помощью простого переключателя (рисунок ниже). В этом случае время включения соленоида (15 Ом, рассчитанного на 12 В) занимало 30 мс, чтобы приводить в действие механический привод и рассеивать мощность 10 Вт.

Если вы задаетесь вопросом о «впадине» в текущей форме волны, то это уменьшение тока связано с обратной ЭДС, создаваемой движущимся сердечником соленоида. Обратная ЭДС увеличивается по мере того, как сердечник разгоняется до тех пор, пока соленоид не втянется и не остановится.

Высокопроизводительный драйвер соленоида

В большинстве применений полный ток необходим только для втягивания соленоида. После завершения движения уровень тока в соленоиде может быть снижен, что приводит к экономии энергии и значительно меньшему количеству тепла, выделяемого в катушке. Это также позволяет использовать более высокое напряжение питания, что обеспечивает форсировку тока втягивания, чтобы сделать процесс втягивания сердечника соленоида более быстрым и обеспечить большую силу втягивания.

Мощный полумост MPS MPQ6610 вместе с несколькими внешними компонентами может выполнить эту задачу (рисунок ниже). MPQ6610 рассчитан на 60 В и 3 А и доступен в небольших пакетах TSOT и SOIC.

Результирующие сигналы возбуждения показаны на рисунке ниже. Желтая линия — это сигнал OUT, управляющий соленоидом, а зеленый — ток соленоида. Первоначально полное напряжение питания 24 В (в этом случае приводится в движение соленоид). После задержки ток уменьшается путем широтно-импульсной модуляции выхода. Время втягивания сокращается до 16 мс, а рассеиваемая мощность удержания значительно ниже (около 600 мВт вместо 10 Вт).

Эта схема работает следующим образом:

Первоначально входной сигнал низкий. Это разряжает C1-D1 и удерживает контакт ISET с низким значением Q1.

Входной сигнал нарастает, что позволяет MPQ6610  «нарастить» выходной сигнал до высокого уровня, применяя полное напряжение питания к соленоиду. C1 начинает заряжаться через R1. Ток поступает из штыря ISET, пропорционального току, протекающему в соленоиде. С зарядом C1 напряжение на штыре ISET может увеличиться.

Предполагая, что в соленоиде имеется достаточный ток, напряжение на шине ISET продолжает расти, пока не достигнет своего порога регулирования тока (1,5 В). На этом этапе MPQ6610 начинает регулировать ток соленоида. Регулируемый ток удержания устанавливается значением R2.

Время задержки (когда соленоид приводится в 100% рабочий цикл) устанавливается значениями R1 и C1. Для стандартного логического уровня 3,3 В время составляет приблизительно 0,33 × RC. Для примера выше, с R1 = 100 кОм и C1 = 2,2 мкФ, 0,33 × RC = 75 мс.

Выводы

Представленные в этой статье измерения показывают, что улучшенная производительность и значительно более низкое потребление энергии могут быть достигнуты с использованием управляющего током драйвера для управления соленоидами. Небольшие драйверы на интегральных микросхемах, такие как MPS MPQ6610, могут обеспечить это преимущество производительности по низкой цене и занимать очень небольшую площадь на печатной плате.

И кому интересно как работает соленоид:

Устройство и принцип работы соленоидов АКПП

АКПП любой формации представляет собой достаточно сложный механизм, просто изобилующий разного рода деталями. Одни из них являются лишь вспомогательными в работе устройства, а другие – настоящей основой. Именно к категории последних относятся соленоиды, отвечающие за переключение передач и управление режимами коробки. Более подробно о принципах функционирования и общей концепции данных элементов АКПП поговорим сегодня. Интересно? Тогда обязательно ознакомьтесь с приведённой ниже статьёй.

Соленоид АКПП – это специальное устройство, которое отвечает за движение масла внутри гидроблочного механизма. Управляется оно электронным блоком управления АКПП и, по сути, представляет собой обычный электромеханический клапан. Именно соленоиды стали наиболее распространёнными «управленцами» переключения передач и режимов работы в современных автоматических коробках передач. Если в роботизированных и вариаторных КПП заменить данные узлы чем-то возможно, то вот в гидравлических АКПП они стали основой управления, поэтому вряд ли будут вытеснены в течение ближайших десятилетий.

Стоит отметить, что соленоид в коробке переключения передач далеко не один – их множество, которые зачастую объединены в целые блоки. Ранее функции контроля движения масла по каналам АКПП возлагались на механические клапанные механизмы, однако развитие автомобильной электроники спровоцировало замену таких устройств на более удобные соленоиды. Если быть точнее, то первый соленоид был установлен в конструкцию автомата лишь в середине 80-х годов в США, после чего получил широкое распространение в этой сфере применения.

Повторимся, любой соленоид – это электромеханическое устройство, которое, честно говоря, очень простое по своей конструкции. Основная функция данного механизма заключается в перекрытии подачи масла по тому или иному каналу АКПП посредством его запирания специальным стержнем. Последний, к слову, выполнен из металла и попросту скользит в проводящей ток спирали (электричество в ней течёт постоянно, пока заведён мотор автомобиля). Нарастание тока движет стержень к концу спирали, то есть запирает канал подачи масла, снижение – к его началу, соответственно, усиливая подачу смазки. Движение стержня любого соленоида организовано при помощи специальных механизмов – запирающих и возвратных пружин.

Все соленоиды АКПП собраны в её элементе под названием «гидроблок» (в народе – блок соленоидов). Гидроблок, к слову, представляет собой плиту, разделённую на многочисленные каналы и имеющую в конструкции множество датчиков, клапанов. Такая организация позволяет автомату осуществлять возложенные на него обязанности, которые заключаются в автоматическом переключении передач. Соленоиды в этой системе играют немаловажную роль и находятся под управлением ЭБУ, направляющем им сигналы по открытию или закрытию конкретного канала гидроблока.

Виды соленоидов

Как стало ясно из предыдущего пункта статьи, управление АКПП без соленоидов представить сложно. В зависимости от того, по какому принципу работают данные механизмы, принято выделять несколько поколений установок. На сегодняшний день выделяются три основных вида соленоидов:

• Первый – стандартный электромеханический клапан, работающий по принципу «полностью отрыть канал подачи масла или же полностью закрыть его». Соответственно, при открытом положении такого соленоида по каналу гидроблока свободно протекает трансмиссионная жидкость, а при закрытом — масло не течёт;
• Второй – соленоид, представленный электромагнитным клапаном. Такие механизмы одно время были очень популярны в сфере автомобилестроения, так как могли точно организовать работу АКПП. Несмотря на это, низкая надёжность электромагнитных соленоидов сильно подорвала их популярность, поэтому в масштабном автомобилестроении они практически не используются. Главная фишка данных устройств заключается в том, что стержень может не только полностью открыть или закрыть канал подачи масла, но и сделать это частично, мягко регулируя подачу трансмиссионной жидкости;
• Третий – соленоид, представленный усовершенствованным электромагнитным клапаном. Данный механизм имеет в своей конструкции не просто запирающий/открывающий канал стержень, а тонко работающий гидравлический клапан. Работа подобных соленоидов основана на том, что контроль движения масла осуществляется при помощи шарового клапана. По сути, такое устройство позволяет организовать тонкую настройку работы АКПП, но при этом является заметно надёжней второго типа соленоидов, поэтому во время своего появления получило широкое применение. Более того, новейшие соленоиды имеют в конструкции фильтрующий элемент, который при пропускании через него трансмиссионной жидкости отсеивает лишний мусор и существенно продлевает срок службы коробки.

С течением времени конструкция автомата становилась всё более и более сложной, поэтому усложнялись и принципы работы соленоидов АКПП, из-за чего они подвергались усиленной модернизации. Основные совершенствования касались того, чтобы переложить на клапан дополнительные функции по типу сброса давления в конкретном блоке сцепления коробки или заблокировать муфту гидротрансформатора.

Типы соленоидов в современных коробках

Идеи автомобильных инженеров позволили достичь подобных задач. Теперь многочисленные типы соленоидов не только отвечают за переключение передач, но и тонко управляют режимами работы АКПП. Сегодня стандартный автомат имеет в конструкции 6 типов соленоидов:

• Соленоид EPC-формации или клапан линейного давления. Данный соленоид является важнейшим в конструкции АКПП и всегда стоит в гидроблоке первым. Основной функцией линейного соленоида является контроль подачи масла в конкретный канал. Нагрузка на данный механизм высока, поэтому он ломается чаще всего и подлежит первоочередной проверке;
• Соленоид TCC-формации или клапан, блокирующий муфту гидротрансформатора. Данное устройство, как правило, включается при работе мотора на высоких оборотах и частично отвечает за повышение КПД мотора. При «слабой» езде этот соленоид не работает;
• Соленоид Shift-формации или клапан-шифтовик. Располагается за линейным клапаном, имеет сложную структуру и выполняет важнейшую функцию всего гидроблока – переключает передачи посредством отточенной подачи трансмиссионной жидкости по соответствующим каналам;
• Управляющий соленоид. Пожалуй, наиболее простое устройство во всём гидроблоке, ибо имеет лишь одну несложную функцию – контроль за работой всех остальных соленоидов. Функционирование управляющего клапана очень схоже с тем, как работает транзистор любой микросхемы;
• Соленоид проскальзывания. Подобный клапан организует плавность перехода с одной передачи на другую, то есть, переводя работу автомата в режим проскальзывания;
• Соленоид охлаждения. Этот же механизм пускает нагретое масло АКПП в отделы охлаждения, что необходимо для стабильной работы коробки.

Важно понимать, что для каждой пары сцепления (передачи) имеется не один соленоид, а сразу несколько из отмеченных выше. Стабильная и беспроблемная работа АКПП возможна лишь при нормальной работе всех клапанов гидроблока, поэтому относиться к ним нужно с должным уровнем ответственности.

О неисправностях соленоидов АКПП и их ремонте

Неисправный соленоид – это одна из главных причин некорректной работы и перехода АКПП в аварийный режим. Несмотря на высокую надёжность современных клапанов гидроблока, по своей сущности эти устройства являются расходниками, поэтому требуют периодической замены. Если ситуация не слишком запущена, проблему может решить обычная замена масла в АКПП. Поменять соленоид вполне можно собственноручно, однако прежде всего важно диагностировать его неисправность.

Для проверки любого клапана гидроблочной плиты придётся осуществлять его «прозвонку». Необходимо это по одной простой причине: неисправный соленоид теряет нормальное для себя сопротивление, если быть точнее, оно повышается. Как проверить соленоид? Очень просто, процедура диагностики клапанов не представляет собой ничего сложного и заключается в исполнении следующих операций:

1. Снимите гидроблок с коробки, который зачастую располагается на днище узла, реже – сбоку;
2. Отсоедините контакты каждого соленоида от соответствующих разъёмов блока управления;
3. Прозвоните каждый клапан. Норма сопротивления на его конках определяется для каждого типа в индивидуальном порядке. Так, например, для соленоидов EV-1 норма сопротивления находится в пределах 65-66 Ом (при 20 градусах по Цельсию). Для других клапанов нормальные показатели, соответственно, свои.

Примечание! На современных коробках имеются функции самодиагностики, поэтому для определения того, какой именно соленоид неисправен, достаточно подключиться к бортовому компьютеру автомобиля. Если подобная мера не возможна, то придётся проводить диагностику традиционным «прозвоном» своими руками, после чего уже ремонтировать нужный элемент узла.

Допустим, неисправный клапан выявлен – что требуется дальше? Естественно, ремонт соленоида или их группы. К сожалению, разобрать клапан, промыть его и собрать обратно не выйдет, придётся полностью менять элемент гидроблока. Стоимость его не особо высока, поэтому бояться процедуры ремонта не стоит. Зачастую замена соленоидов в АКПП проводится так:

1. Гидроблок снимается с коробки;
2. От клапана отсоединяются все разъёмы;
3. Откручивают крепления соленоида, и он снимается с гидроблока;
4. После этого на место старого клапана устанавливается новый, к нему присоединяются все разъёмы;
5. Затем гидроблок устанавливается обратно на КПП. Ремонт окончен.

Как видите, особых сложностей в устройстве соленоидов автомата и их ремонте нет. Разобраться и с тем, и с другим вполне поможет представленный сегодня материал. Надеемся, он был для вас полезен и дал ответы на интересующие вопросы. Удачи на дорогах и в ремонте авто!

Соленоид — это… Что такое Соленоид?

Солено́ид — разновидность электромагнитов. Соленоид — это односложная катушка цилиндрической формы, витки которой намотаны вплотную, а длина значительно больше диаметра. Характеризуется значительным соотношением длины намотки к диаметру оправки, что позволяет создать внутри катушки относительно равномерное магнитное поле.

Соленоид почти всегда снабжается внешним магнитопроводом. Внутренний магнитопровод может быть подвижным или отсутствовать вовсе.

Соленоид на постоянном токе

Если длина соленоида намного больше его диаметра и не используется магнитный материал, то при протекании тока по обмотке внутри катушки создаётся магнитное поле, направленное вдоль оси, которое однородно и для постоянного тока по величине равно

(СИ),

(СГС),

где — магнитная проницаемость вакуума, — число витков N на единицу длины l (линейная плотность витков), — ток в обмотке.

При протекании тока соленоид запасает энергию, равную работе, которую необходимо совершить для установления текущего тока . Величина этой энергии равна

При изменении тока в соленоиде возникает ЭДС самоиндукции, значение которой

Индуктивность соленоида

Индуктивность соленоида выражается следующим образом:

(СИ),

(СГС),

где  — объём соленоида,  — длина проводника, намотаннного на соленоид,  — длина соленоида,  — диаметр витка.

Без использования магнитного материала плотность магнитного потока в пределах катушки является фактически постоянной и равна

где − магнитная проницаемость вакуума, − число витков, — сила тока и — длина катушки. Пренебрегая краевыми эффектами на концах соленоида, получим, что потокосцепление через катушку равно плотности потока , умноженному на площадь поперечного сечения и число витков :

Отсюда следует формула для индуктивности соленоида

эквивалентная предыдущим двум формулам.

Соленоид на переменном токе

При переменном токе соленоид создаёт переменное магнитное поле. Если соленоид используется как электромагнит, то на переменном токе величина силы притяжения изменяется. В случае якоря из магнитомягкого материала направление силы притяжения не изменяется. В случае магнитного якоря направление силы меняется. На переменном токе соленоид имеет комплексное сопротивление, активная составляющая которого определяется активным сопротивлением обмотки, а реактивная составляющая определяется индуктивностью обмотки.

Применение

Соленоиды постоянного тока чаще всего применяются как поступательный силовой электропривод. В отличие от обычных электромагнитов обеспечивает большой ход. Силовая характеристика зависит от строения магнитной системы (сердечника и корпуса) и может быть близка к линейной.

Соленоиды приводят в движение ножницы для отрезания билетов и чеков в кассовых аппаратах, язычки замков, клапаны в двигателях, гидравлических системах и проч. Один из самых известных примеров — «тяговое реле» автомобильного стартёра.

Соленоиды на переменном токе применяются в качестве индуктора для индукционного нагрева в индукционных тигельных печах.

См. также

Как сделать соленоидный двигатель

Содержание:

Что такое электромагнитные реле и соленоиды?

1. Реле применяют для включения и выключения цепей, по которым течет большой ток, затрачивая при этом для управления ток значительно меньшей сипы (см. рис. 1.12). Типичным примером является цель включения стартера, который потребляет ток в несколько сотен ампер. В данном случае провода, соединяющие стартер с аккумулятором, должны быть толстыми и короткими, чтобы максимально снизить в них потери. По этим причинам их невозможно протащить к какому-нибудь выключателю в салоне. Реле решает эту проблему, поскольку его можно расположить в непосредственной близости от аккумулятора, а управлять им можно из салона с помощью тонкого гибкого провода любой длины.

2. Хорошо известно, что магнитное поле притягивает любой железный предмет, оказавшийся поблизости. Это явление используется в электромагните, в котором железный сердечник притягивается магнитным полем, если через катушку возбуждения пустить ток. Движением железного сердечника или якоря можно замкнуть или разомкнуть электрические контакты, которые дальше можно использовать в различных целях, о которых мы поговорим ниже.

Рис. 1.12. Принципиальная схема реле.

3. Простейшее реле изображено на рис. 1.13. Якорь этого реле удерживается в верхнем положении с помощью плоской пружины. При подключении катушки к источнику напряжения через катушку начинает течь ток, создающий магнитное поле. Якорь при этом притягивается к катушке, преодолевая сопротивление пружины, и замыкает контакты некоторой внешней электрической цепи. При отключении управляющей катушки магнитное поле исчезает, и якорь под действием пружины возвращается в исходное положение, размыкая контакты. Реле такого типа широко используются в электрооборудовании автомобилей.

4. Соленоид — это несколько иной тип исполнительного устройства. Его действие основано на том, что железный сердечник, помещенный в катушку, по которой проходит электрический ток, стремится занять в этой катушке среднее положение (см. рис. 1.14). Силы, с которой якорь соленоида втягивается в катушку, оказывается достаточно, чтобы, например, ввести в зацепление шестерню стартера с зубчатым венцом маховика, да еще и включить контакты, которые могут передать большой ток.

Рис. 1.13. Электромагнитное реле.

Рис. 1.14. Схема стартерного соленоида.

Соленоид и электромагнит

В предыдущем параграфе мы изучали магнитные поля прямых проводников. Рассмотрим теперь проводник, свёрнутый в виде спирали, по которому идёт ток – соленоид (греч. «солен» – трубка). Расположим вдоль его оси лист картона и посыплем его железными опилками. На рисунке отчётливо видно, что опилки выстроились в виде замкнутых линий, наиболее часто расположенных внутри витков соленоида. Следовательно, магнитное поле внутри соленоида сильнее, чем вне его.

Намотаем теперь проволочную спираль на каркасе, располагая витки вплотную друг к другу – мы получим катушку (см. рисунки ниже). Включим ток и поднесём к катушке мелкие гвоздики – часть из них примагнитится. Если в неё вставить железный или стальной стержень – сердечник, то примагнитится заметно больше гвоздиков. Другими словами, происходит усиление магнитного поля.

Катушка из изолированной проволоки с железным сердечником внутри называется электромагнитом. При прочих равных условиях магнитное поле электромагнита всегда сильнее магнитного поля соленоида или катушки без сердечника.

Объясним усиление магнитного поля. Сначала ток намагничивает сердечник. Намагнитившись, он создаёт собственное поле, которое, складываясь с полем соленоида, образует новое, более сильное поле. Об этом мы судим по количеству притянувшихся гвоздиков.

Рассмотрим другие причины, влияющие на силу магнитного действия электромагнита. Вспомним, что для наблюдения силовых линий поля прямого проводника (см. § 10-а) мы использовали ток силой 5–10 А. При меньшей силе тока опилки будут плохо намагничиваться, и картинка получится нечёткой. Следовательно, магнитное поле электромагнита усиливается при увеличении силы тока в его проводнике.

Кроме того, при одной и той же силе тока поле электромагнита можно усилить, увеличив число витков проводника в его обмотке. Это объясняется тем, что магнитные поля, создаваемые каждым из витков, накладываются друг на друга и тем самым образуют новое, более сильное магнитное поле.

Познакомимся с ещё одним свойством электромагнита или соленоида – запасать электроэнергию. Проделаем опыт (см. схему). Две одинаковые лампы подключены параллельно к источнику тока. Верхняя лампа – через реостат, а нижняя – через электромагнит или соленоид. У них есть общее название – катушка индуктивности.

При замыкании выключателя лампа, соединённая с катушкой индуктивности, загорается позже, чем лампа, соединённая с реостатом (левый рисунок). Теперь разомкнём выключатель. В этот момент обе лампы не погаснут, а вспыхнут ещё ярче, правда, на очень короткое время (правый рисунок).

Более позднее загорание ближней к нам лампы объясняется так. При включении тока его энергия идёт не только на нагревание спирали лампы, но и на создание магнитного поля вокруг электромагнита. Однако по прошествии некоторого времени энергия тока будет целиком превращаться в теплоту, разогревая спираль лампочки настолько, что она начинает светиться.

При размыкании цепи ток в нижнем её проводе прекращается, и с этого момента реостат, катушка индуктивности и обе лампочки оказываются соединёнными друг с другом последовательно (мы это показали красным цветом на схеме). Поскольку лампочки кратковременно ярко вспыхнули, значит, в красной части цепи ненадолго возник источник тока. В его роли выступила катушка индуктивности. Магнитное поле вокруг неё стало исчезать, передавая свою энергию электронам в проводе, поэтому они приходят в движение. Это значит, что катушка становится источником тока.